熱效應對 CNC 工具機滾珠螺桿精度的影響

背景

大多數 CNC 工具機使用由滾珠螺桿驅動的線性軸，將伺服馬達的旋轉運動轉換為精確、強大的線性運動。

安裝在伺服馬達後方的旋轉編碼器可量測滾珠螺桿的旋轉運動，不僅可以計算旋轉次數，還可在每一圈內提供高解析度的角度位置回饋。

如果僅使用旋轉編碼器和滾珠螺桿來控制軸的線性運動，稱為半閉迴路伺服系統，如圖 1 所示。

此系統的精度取決於旋轉編碼器的量測精度和滾珠螺桿的幾何品質。但是，在工具機運作過程中，滾珠螺桿因受熱而產發生的膨脹會影響其準確度和精密度。

透過在工具機的線性軸上加裝線性光學尺，可為半閉迴路系統提供直接回饋，進而實現對線性運動的直接量測，形成全閉迴路伺服控制。

雖然透過冷卻滾珠螺桿等先進方法可以減少熱膨脹的影響，但這方法會增加伺服系統的複雜性和營運成本，而且精度仍然低於線性光學尺所能達到的水準。圖 2 為全閉迴路伺服系統的示意圖。

目前，許多 CNC 工具機並未配備線性光學尺。工具機製造商透過採用高品質滾珠螺桿和高精度旋轉編碼器，已能滿足大多數常規加工應用的精度要求。

那麼，工具機使用者在購買設備時為什麼還會選擇加裝線性光學尺呢？為了解答這個問題，我們在一台高性能工具機上進行了一系列測試。

方法

實驗設置

我們在一台高性能立式 CNC 工具機上進行一系列測試。這台工具機可以切換為半閉迴路（關閉 Renishaw FORTiS™ 線性光學尺）或全閉迴路（啟動 FORTiS 線性光學尺）運作模式。這台工具機還配備精密研磨的滾珠螺桿，並通過旋轉編碼器獲得高解析度的角度位置回饋。

熱量量測

為了監測滾珠螺桿中的熱量累積現象，我們使用熱影像攝影機來拍攝了拆除機殼後的工具機運作情況，在以下各階段拍攝了滾珠螺桿的熱影像：

• 在室溫環境下尚未進行任何加工前，拍攝滾珠螺桿的熱影像，以建立的熱基準
• 加工 1 個工件後
• 加工另外 50 個相同工件後
• 冷卻 15 分鐘後
  

線性精度量測

我們採用 Renishaw XL-80 雷射干涉儀搭配 XC-80 補償器來量測軸向的線性精度，首先透過線性量測建立了基準，然後依次量測了各階段熱影像圖所對應的線性誤差，為了簡化測試，我們僅量測了單軸，並關閉了自動線性補償功能。

資料分析

通過對比各階段的線性精度量測值，分析得出由於滾珠螺桿的熱膨脹所引起的誤差，主要比較了半閉迴路伺服系統（關閉線性光學尺）與全閉迴路伺服系統（啟動線性光學尺）之間的精度差異，透過繪製誤差曲線圖，直觀呈現滾珠螺桿因熱量累積所造成對精度的影響，以及線性光學尺的熱效應補償性能，雷射干涉儀測得的位置與工具機報告的位置之間的差值即為誤差。

成果

滾珠螺桿的熱量累積

工具機軸向的運動需要能量轉換或驅動力。在負載較大或加速度較高時，則需要更大的力來驅動軸向運動。在工具機運作時，滾珠螺桿上會產生熱能量累積，進而影響量測準確性與加工精度。

測試 1：冷機狀態（室溫）

在使用線性光學尺（全閉迴路）時測得的原始線性精度，顯著優於關閉線性光學尺（半閉迴路）時測得的精度。

測試 2：加工 1 個工件後

在半閉迴路控制下，由於滾珠螺桿的熱膨脹，導致精度變化約為 15 µm，然而，當啟動線性光學尺（全閉迴路）時，該軸的精度與冷機狀態下的初始測試結果相比幾乎沒有變化。

測試 3：加工 50 個工件後

在關閉線性光學尺（半閉迴路）時，由於滾珠螺桿的溫度顯著升高，導致約 120 µm 的精度誤差，然而，在啟動線性光學尺（全閉迴路）時，精度變化仍保持在 15 µm 以內。

測試 4：加工 50 個工件並冷卻 15 分鐘後

在關閉線性光學尺（半閉迴路）時，隨著滾珠螺桿的部分熱量消散，誤差降至 80 µm，然而，在啟動線性光學尺（全閉迴路）時，精度提高到約 10 µm。

圖 8：啟動與關閉線性光學尺時，工具機軸向的位置誤差